Медицинская диагностика на основе наноустройств

Проведение мед. диагностики заболеваний путем непосредственного наблюдения за молекулярными системами позволяет снизить ограничения традиционных методик, связанные с низкой чувствительностью и производительностью приборов.

Внедрение нанотехнологических подходов в практику медицинской диагностики позволяет обеспечить следующие практические результаты:

· повышение чувствительности и экспрессности анализа позволяет осуществлять раннюю диагностику заболеваний, что уже в ближайшее время может быть использовано для обнаружения онкологических, эндокринных и сердечно-сосудистых заболеваний, вирусных и бактериальных инфекций;

· повышение производительности позволяет проводить комплексное обследование по набору диагностических критериев, что может быть использовано для индивидуализированного подхода к лечению и профилактике.

Основные методические подходы различаются по типам регистрирующих устройств, в качестве которых могут использоваться атомно-силовые микроскопы, магнитные наночастицы,оптические и электрохимические биосенсоры, нанопровода. Принцип регистрации основан на изменении физико-химических свойств наноустройств при специфической сорбции молекулярных маркеров патологического процесса. Научно-исследовательские разработки направлены на выявление диагностически-значимых маркеров с использованием постгеномных технологий. Опытно-конструкторские работы связаны с разработкой способов специфической сорбции маркеров в конструкции наноустройств.

Особым типом наноустройств являются устройства, основанные на применении полимеразной цепной реакции. Такие устройства (биочипы) позволяют оценить генетический статус пациента или патогенного микроорганизма в его теле и спланировать мероприятия по индивидуализированной профилактике, лечению.

С учетом существующего в России задела в период 3-5 лет будут интенсивно развиваться, сертифицироваться и внедрятся в практику методики медицинской нанодиагностики онкологических заболеваний, вирусных гепатитов, ВИЧ, системы фармакологического мониторинга для оценки индивидуальной переносимости лекарств.

В области диагностики на основе наноустройств ученые уже разрабатывают и представляют публике различные устройства. Так, доцент Калифорнийского университета Беркли, Лидия Сош, во время «научной ярмарки»провела презентацию своего портативного наноцитометра.По ее словам, наноцитометр представляет собой карманное устройство, которое очень быстро определяет болезнь, тестируя всего одну каплю крови с помощью дешёвого доступного картриджа. Картридж состоит из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами, которые имитируют систему очистки человеческих клеток.

А в лаборатории ORNL разработан сенсор, обладающий высокой чувствительностью и селективностью. Его наконечник представляет собой оптическое волокно диаметром 50 нм с присоединенными к нему антителами, которые могут распознавать определенные молекулы и прикрепляться к ним.

Созданы биосенсоры на базе протеиновых нанопроволок. Здесь учеными исследуетсяспособность протеиновых волокон проводить электричество в водной среде, возможность создания сенсоров на основе измерения изменений проводимости. Уже созданы биосенсоры на кремниевой нанопроволоке, обладающие высокой чувствительностью благодаря ее малым размерам.

Биосовместимые наноматериалы

Нанотехнология может помочь восстановить или починить повреждённую ткань организма на молекулярном уровне.«Тканевая инженерия» использует искусственно стимулированную пролиферацию клеток с использованием подходящих сделанных из наноматериалов опор и ростовых факторов. Например, кости могут быть выращены заново на опорах из углеродных нанотрубок. Также искусственные костные композиты делаются из нанокристаллов фосфата кальция. Композиты, включающие наночастицы, обладают большей прочностью, гибкостью, химической устойчивостью.Тканевая инженерия может заменить сегодняшние обычные способы лечения, такие как трансплантация органов или искусственные имплантаты.В дальнейшем ученые планируют заниматься разработкой наноматериалов, которые способствовали бы росту и заживлению тканей. На их основе предполагается создать матрицу, имитирующую структуру и химические свойства природной среды, в которой растут клетки ткани. Отдельную задачу представляет создание искусственных органов чувств. Роберт Фрейтас опубликовал доклад об исследованиях биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью использования их при создании искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием.

Важнейшей задачей нанотехнологий по мнению большинства экспертов, будет разработка материалов для медицины. Считается, что за эти годы будут созданы наноматериалы для "умных" имплантатов (искусственных сосудов, искусственной кожи и т.д.) и искусственных органов, для интерфейса электронных устройств, вживляемых в человеческие органы, и самих органов для поддержания жизнедеятельности человека.

 

Нанотехнологии в  строительстве

На сегодняшний день нанотехнологии и наноинженерия представляют наиболее перспективное направление развития не только зарубежной, но и российской науки. Благодаря наноматериалам был сделан значительный прорыв во многих отраслях, кроме того, они получили широкое распространение во всех сферах жизни. В данный момент, при изготовлении разнообразных продуктов, все чаще и чаще используют нанотехнологии. С ними мы сталкиваемся практически ежедневно, нанотехнологии нашли свое применение в медицине, телекоммуникации, строительстве, фармацевтике, робототехнике и бытовой технике и т.п.

Согласно подсчетам, около 20 % строительных компаний в Китае, США, Японии и других странах Европы используют для производства материалов нанотехнологии, блягодаря которым становится возможным изменить стандартные свойства стройматериалов в лучшую сторону и модифицировать их структуру. Изыскания и разработка в этой сфере являются актуальными в наши дни. Крупнейшие фирмы-производители ведут усиленную работу над этим материалом: «Майти» (Япония), BASF (Германия), «Зика» (Швейцария), «Элкем» (Норвегия).

Так, для изготовления бетона, обладающего высокими прочностными характеристиками и долговечностью, применяют специальные добавки на основе ультрадисперсных и наноразмерных частиц. Срок службы такого наномодифицированный бетона, по результатам многочисленных исследований, составляет 500 лет. Появляется возможность применения данного материала для строительства атомных реакторов, различных защитных сооружений, большепролетных мостов и прочих массивных конструкций.

Различные эксперименты с нанодобавками, которые добавлялись к строительным материалам начали ставить еще в конце ХХ века. Вследствие этого и было замечено, что при внедрении в состав углеродных нанотрубок в количестве 0,001- 0,0001% от доли расхода связующего вещества, прочностные и иные характеристики полученного на выходе материала повышаются, в соответствии с проведенным анализом, до 40%, а по некоторым параметрам - и в 2-3 раза. Этот процесс, получивший название дисперсного самоармирования, можно объяснить тем, что добавки на основе наноматериалов вызывают рост кристаллов в минеральном веществе, и их лучи, увеличиваясь в объеме и переплетаясь между собой, делают материал более прочным. В ходе этого процесса прочность цементного камня увеличивается до 40%, а бетона - лишь на 10%. Это происходит из-за того, что для бетона наибольшую важность имеет макроармирование, чем микро- и армирование на наноуровне.

Одна из проблем, выявленная во время данных испытаний, заключается в невозможности введения водной суспензии с нанотрубками в условиях открытого производства. Данный способ изготовления требует специальных лабораторных условий, которые обеспичивают равномерное распределение микропорции материала на основе наночастиц в заданной параметрами среде. Если условия не будут соблюдены, то возможно выпадение материала в осадок.

Тогда было решено отказаться от водной суспензии и попытаться нанести на твердый наполнитель наноинициаторы самоармирования. Для начала эксперимент проводили на песке, в ходе него зафиксировали улучшение результата: структура бетона немного изменилась на макроуровне, но этого было не достаточно, т.к. материал для своей себестоимости не отличался высокой прочностью.

Далее, вместо песка, для испытания выбрали базальтовую микрофибру. Полученный камень обладал высокими техническими характеристиками, что превзошло все ожидания. Также был найден способ удешевить производство: использовать дешевые наночастицы (астралены). В итоге многочисленных экспериментов был разработан высокопрочный бетон, идеально подходящий для широкомасштабного его использования в строительной промышленности.